Giải pháp kết cấu đê biển dạng tường đứng bằng hệ cọc ly tâm kết hợp với cọc xiên áp dụng cho tuyến đê biển Vũng Tàu - Gò Công

Hầu hết các công trình đê lấn biển trên thế giới đều có đặc điểm chung là được xây dựng cách xa bờ, trên nền đất yếu và phần lớn chiều dài tuyến đê chịu sự tác động của sóng, gió từ cả hai phía (ngoài biển vào và trong bờ ra) với tải trọng lớn hơn và phức tạp hơn so với các tuyến đê biển thông thường. Kết cấu đê biển chủ yếu là dạng truyền thống mái nghiêng, thi  công bằng vật liệu đổ trong nước và thời gian thi công thường kéo dài. Tuy nhiên, với những tuyến đê biển nằm trong vùng có địa chất yếu, yêu cầu về chiều cao đê lớn và đòi hỏi thời gian thi công nhanh thì kết cấu đê biển dạng truyền thống sẽ gặp những khó khăn nhất định. Bài báo giới thiệu giải pháp kết cấu và phương pháp tính toán đê biển bằng hệ cọc ly tâm kết hợp với cọc xiên là một trong những giải pháp đáp ứng được các yêu cầu nói trên và có thể ứng dụng để xây dựng cho tuyến đê biển Vũng Tàu - Gò Công.

I. GIỚI THIỆU CHUNG

Theo kết quả nghiên cứu đề xuất bước đầu, vị trí tuyến đê biển Vũng Tàu – Gò Công dài hơn 30 km, xuất phát từ phía Gò Công (Tiền Giang) đến gần Vũng Tàu (cách Vũng Tàu khoảng 5 km), nằm phía ngoài các cửa sông chính như: Cửa Soài Rạp, Lòng Tàu, Thị Vải, cách bãi biển Cần Giờ khoảng 10 km. Quy mô dự kiến của dự án bao gồm: Tuyến đê chính xuất phát từ Gò Công đến gần Vũng Tàu, có chiều dài hơn 30 km, chiều sâu mực nước trung bình khoảng 6,5m (tính từ cốt ±0,0m). Tuyến đê phụ dài 13 km nối từ đầu cầu phía đê chính đi vào Cần Giờ, chiều sâu mực nước đoạn đê này trung bình khoảng 5,0m. Cống kiểm soát triều, thoát lũ có chiều rộng khoảng 1000÷1500m, cao trình đáy - 12m. Âu thuyền được thiết kế đáp ứng cho tàu thuyền có tải trọng đến 30.000 tấn. Cầu giao thông dài khoảng 5km kết nối tuyến đê chính với Vũng Tàu, chiều rộng B=22,5m, dưới cầu các loại tàu bè đi lại bình thường vào khu vực vịnh Gành Rái.

Mục tiêu chính của dự án là: Chống ngập úng và xâm nhập mặn cho toàn vùng TP.HCM trước mắt và lâu dài (khi mực nước biển dâng thêm 75÷100cm); Tăng cường khả năng thoát lũ, giảm chiều sâu và thời gian ngập lụt, chống xâm nhập mặn cho vùng ĐTM trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Ngoài ra, dự án còn góp phần phòng chống thiên tai và các tác động từ biển cho toàn bộ khu vực TP. Hồ Chí Minh và vùng ĐTM với diện tích hơn 1 triệu ha.

Có nhiều giải pháp kết cấu xây dựng đê biển đã được nghiên cứu có thể áp dụng cho xây dựng tuyến đê biển Vũng Tàu - Gò Công. Trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi giới thiệu giải pháp kết cấu đê biển bằng hệ cọc ly tâm kết hợp với cọc xiên. Giải pháp này được nghiên cứu và lựa chọn áp dụng cho tuyến đê phụ nói trên. Các điều kiện cần thiết để phục vụ cho việc tính toán các thông số đầu vào rất lớn (chế độ thủy lực, thủy văn,..) không thể đưa vào đây, do đó trong khuôn khổ bài báo này chỉ tập trung giới thiệu phương pháp và kết quả tính toán kết cấu.

II. GIẢI PHÁP KẾT CẤU ĐÊ BIỂN VŨNG TÀU - GÒ CÔNG BẰNG HỆ CỌC LY TÂM VÀ CỌC XIÊN

2.1. Cấu tạo:

Đê biển có kết cấu bằng hệ cọc ly tâm và cọc xiên được cấu tạo bởi các phần sau đây:

a. Hệ cọc chính: Là cọc bê tông ly tâm DƯL đường kính từ 100÷120cm được đóng sát nhau tạo nên một bức tường cừ có tác dụng ngăn chặn sự xâm nhập của thủy triều. Chiều dài cọc từ 40÷45m tùy thuộc vào địa chất nền của từng vị trí, các cọc này được đúc liền khối và mũi cọc được bịt trong quá trình thi công. Sau khi cọc được đóng đến cao trình thiết kế, tiến hành điền đầy phần rỗng trong cọc bằng lớp đá dăm đến cao trình cách đầu cọc khoảng 5m. Phần đầu cọc còn lại đổ bê tông bù sau khi đã thi công lắp đặt các cấu kiện chốt thép để liên kết với dầm cầu công tác ở phía trên.

Hình 2. Mặt cắt ngang thân đê

b. Hệ cọc chống: được thiết kế bằng cọc ống thép hoặc cọc bê tông dự ứng lực đường kính 900mm; chiều dài cọc khoảng 40m; cọc được đóng xiên 1:4; khoảng cách giữa các cọc từ 5÷10m tùy thuộc vào việc tính toán các thông số đầu vào, mục đích là để đảm bảo và tăng cường sự ổn định của tường cừ. Trong trường hợp là cọc ống thép phần cọc xiên từ mặt đất tự nhiên đến đỉnh đầu cọc được bao bọc bởi một lớp bảo vệ đặc biệt. Lớp bảo vệ này có tác dụng chống lại sự ăn mòn của nước biển cũng như bảo vệ cọc ống thép trước các tác động từ phía ngoài. Phần bên trong cọc ống thép cũng được điền đầy bằng dung dịch vữa bê tông sau khi đã thi công lắp đặt phần liên kết với dầm cầu công tác.

Hình 3: Cắt ngang hệ cọc chống                                           Hình 4: Cấu tạo đỉnh đê

c. Cọc chèn và phần tiếp giáp: Để đảm bảo kín nước cho tuyến đê, phần trên mặt đất tự nhiên cần sử dụng đến các cọc BTCT 45x45cm,chiều dài cọc khoảng L = 25m đóng chèn khe. Khoảng trống giữa cọc ống và cọc vuông được bịt kín bằng cách phụt vữa bê tông vào trong. Phạm vi phụt vữa bê tông là từ mặt đất tự nhiên đến hết cao trình đỉnh cọc.

d. Đỉnh đê: Đỉnh đê kết hợp làm cầu công tác trong quá trình vận hành, chiều rộng từ 3 -:- 5m; có cấu tạo bằng các dầm bê tông cốt thép đúc sẵn và được lắp ghép sau khi đã thi công xong hệ thống cọc thân đê. Tường chắn sóng được thiết kế dày 50cm, cao 1.5m và được thi công tại chỗ sau khi đã lắp đặt dầm đỉnh đê tại vị trí công trình.

e. Gia cố chân đê:

Dưới chân hàng cọc cừ được gia cố bằng vật liệu đá hộc đổ trong nước kết hợp với cấu kiện chắn sóng Tetrapods, vừa có tác dụng ổn định cho thân đê, vừa có tác dụng chống xói cho toàn bộ hệ thống công trình.

2.2. Phương pháp tính toán kết cấu đê biển:

2.2.1. Lựa chọn mô hình tính toán:

Hiện nay có nhiều các phần mềm đã được ứng dụng vào tính toán thiết kế của các nước trên thế giới như Hà Lan, Mỹ, Thái Lan, Hàn Quốc, Đan Mạch... Tuy nhiên các phần mềm hiện nay thường tập trung sâu vào một khía cạnh nhất định, hoặc là kết cấu phần trên như Sap2000, Ansys (Hoa Kỳ)… hoặc tập trung phân tích ứng suất biến dạng đất nền như Plaxis (Hà Lan), Sigma/w (GeoSlope, Canada).

Bài toán phân tích ứng suất biến dạng trong kết cấu với điều kiện biên phức tạp thì ứng dụng phần mềm như Sap2000 hoặc Ansys kết hợp với Plaxis sẽ giải được bài toán. Trong sơ đồ tính toán, kết cấu được mô phỏng trong không gian 2 hoặc 3 chiều tùy thuộc vào loại kết cấu và điều kiện biên tính toán để chọn phần mềm tính phù hợp.

Đối với mỗi bài toán ta cần xem xét đánh giá để chọn mô hình tính phù hợp nhất. Trong phần mềm Sap2000 thì với kết cấu dạng cọc, dầm… được mô phỏng dạng thanh (Frame), còn với kết cấu tường, bản sườn… được mô phỏng dạng tấm vỏ (Shell)…Tuy nhiên trong phần mềm Plaxis thì đối với dạng tấm, dầm… được mô phỏng như là phần tử Plate, các kết cấu neo, vải địa… được mô phỏng dưới dạng phần tử Anchors, Geogrids…

Bài toán kết cấu đê biển Vũng Tàu - Gò Công bằng hệ cọc ly tâm kết hợp với cọc xiên làm việc có sự tương hỗ chặt chẽ với nền công trình, điều kiện biên tương đối phức tạp. Trong trường hợp này, việc mô tả được tổng thể sự làm việc của kết cấu và đất nền là yếu tố quan trọng đảm bảo sự chính xác của kết quả tính toán. Với những phân tích như trên thì việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis V8.2 là thích hợp nhất. Khi đó đất nền và tường cọc làm việc đồng thời được tính toán như bài toán phẳng 2D.

Để tính toán và kiểm tra ổn định thấm cho kết cấu đê biển Vũng Tàu Gò Công đề xuất sử dụng phần mềm Geo-Slope với Modul Seep/W. Đây là bộ phần mềm thông dụng nhất dùng để tính thấm hiện nay.

Hình 5: Mô hình bài toán ổn định tổng thể trong phần mềm Plaxis

Hình 6: Mô hình bài toán thấm trong phần mềm GeoSlope - Modul Seep/W

2.2.2. Thông số tính toán kết cấu:

+ Hệ cọc chính: Cọc ly tâm dự ứng lực D = 100cm, dài 40m

+ Hệ cọc xiên: Cọc ống thép D90cm đóng xiên 1:4; chiều dài 45m

+ Cọc chèn: Cọc BTCT kích thước 45x45cm; dài 25m

2.2.3. Một số kết quả tính toán

* Kết quả tính ổn định tổng thể:

Hình 7: Biến dạng tổng thể tường cọc, đất nền

- Kết quả ứng suất và biến dạng trong cọc chính:

Kết quả cho thấy cọc chính bị lún và nghiêng về phía trong hồ với chuyển vị đứng lớn nhất δdmax = 2,70 cm, chuyển vị ngang lớn nhất xảy ra ở phần cọc có độ sâu h tính từ mặt nền với δnmax = 14,37 cm. Mô men lớn nhất trong cọc là Mmax = 52,85 (T.m).

- Kết quả ứng suất và biến dạng trong cọc chống:

Chuyển vị ngang lớn nhất trong cọc chống xảy ra ở phần cọc phía trên δnmax =14,61cm, chuyển vị đứng δdmax = 4,82cm. Mô men lớn nhất trong cọc chống là Mmax = 5,74 (Tm);

Các kết quả này đều nằm trong giới hạn cho phép, do đó hệ cọc chính và cọc chống hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu lực về mặt kết cấu.

* Kết quả tính toán ổn định thấm:

Kết quả tính toán mô hình thấm dưới nền công trình cho thấy Gradient XY tại cửa ra là Jmax < [J]cp => Công trình đảm bảo điều kiện ổn định thấm.

2.3. Biện pháp thi công đê biển bằng hệ cọc ly tâm và cọc xiên:

Việc thi công tuyến đê biển Vũng Tàu - Gò Công nói chung và tuyến đê phụ áp dụng công nghệ này nói riêng được thực hiện trong điều kiện khá bất lợi do mặt bằng thi công trên mặt biển rộng, sóng và gió thường xuyên. Vì vậy, trong thiết kế chi tiết biện pháp thi công sẽ có nhiều nội dung công việc phải được nghiên cứu, tính toán một cách đặc biệt và cẩn trọng. Trong khuôn khổ bài báo này, chỉ giới thiệu các bước thi công chính.

2.3.1. Thi công cọc trong nước:

Để thi công cọc trong nước hiện nay có 2 giải pháp thông dụng được triển khai rộng rãi trong thực tế, bao gồm:

- Thi công cọc bằng hệ sàn đạo: về nguyên lý là lắp dựng hệ sàn đạo theo tim tuyến cọc cừ đã được định vị trước. Máy cẩu và giá đóng cọc được đặt trên các xà lan có tải trọng lớn lần lượt định vị và đóng cọc đến cao độ thiết kế dựa trên hệ sàn đạo đã có. Mặt bằng thi công trong trường hợp này được đặt trên các xà lan nổi.

Giải pháp này có ưu điểm là thi công đơn giản, có thể thiết kế sàn đạo như một hệ thống đường ray kết hợp phục vụ cho việc thi công các hạng mục khác, việc thi công không phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của thủy triều. Tuy nhiên điều bất lợi là mặt bằng thi công rộng, hệ sàn đạo có khối lượng lớn

Hình 9: Thi công bằng hệ sàn đạo

- Thi công cọc bằng tàu đóng cọc: Một trong những giải pháp có tính chủ động cao và sử dụng công nghệ hiện đại là tàu đóng cọc trên hệ nổi. Sàn đạo định vị cọc được gắn trực tiếp trên tàu và được điều chỉnh bằng hệ thống thủy lực. Tàu đóng cọc có thể đóng được các loại cọc có đường kính lên đến 1,2m và có thể đóng xiên 1:4 bằng búa hơi trên hệ nổi với công nghệ định vị cọc realtime và xà kẹp tròn. Để đóng cọc xiên về mặt nguyên lý hoàn toàn đơn giản, chỉ việc làm cho giá cọc xiên theo thiết kế là được. Hệ thống giá định vị lắp đặt trên tàu được điều chỉnh để đóng cọc xiên bằng hệ thống tay thủy lực.

Hình 10: Thi công bằng tàu đóng cọc

Ưu điểm của phương án này là có tính cơ động, di chuyển được ở nhiều vị trí, có thể điều chỉnh được dễ dàng khi đóng cọc xiên. Tuy nhiên, để đóng cọc có độ chính xác cao thì việc neo giữ cố định tàu đóng cọc là một vấn đề quan trọng. Ngoài ra các công việc khác được sử dụng bằng hệ thống máy tính điện tử nên đòi hỏi kỹ năng thao tác phải thành thạo.

III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết cấu đê biển dạng tường đứng bằng hệ cọc ly tâm kết hợp với cọc xiên là một giải pháp công nghệ mới, phù hợp với những vị trí có địa chất nền mềm yếu, chiều cao đê lớn. Việc nghiên cứu, ứng dụng giải pháp này sẽ đẩy nhanh được tiến độ thi công và làm giảm giá thành công trình so với phương án đê mái nghiêng truyền thống.

Với đê biển Vũng Tàu - Gò Công, tuyến đê phụ có chiều dài 13 km và không có yêu cầu kết hợp làm giao thông trên đê nên kết cấu đê biển bằng hệ cọc ly tâm kết hợp với cọc xiên là giải pháp phù hợp hơn cả về mặt kết cấu và giải pháp thi công công trình.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Đình Hòa và nnk, Báo cáo chuyên đề, đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu kết cấu công trình và giải pháp xây dựng tuyến đê biển Vũng Tàu – Gò Công”, Hà Nội năm 2012, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam.

[2] Viện Quy hoạc Thủy lợi Miền Nam - Báo cáo Quy hoạch Đê biển Vũng Tàu – Gò Công, 12/2011.

[3] Tiêu chuẩn ngành 14TCN 130-2002 Hướng dẫn thiết kế đê biển

[4] New Orleans Surge Barrier, US army corps of Engineers

[5] Trang web Tổng công ty xây dựng đường thủy: http://vinawaco.vn

Tác giả: GS.TS. Trần Đình Hòa
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi